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新闻主题	数据中心柴油发电机的选配条件和负荷计算方法

 

导读：由于数据中心机房要求供电系统不能中断，所以，在规模较大的数据中心机房，数台甚至十几台柴油发电机并列运行的情况越来越多。在市电中断时，除在最快的时间内能自起动外，还应该最大限度的满足应急负荷的起动及供电容量要求，若容量选择小，电动机起动时电压降过大，容量选得过大，则运行经济效益差。在数据中心中，备用电源大部分来自于柴油发电机组。所以，选取合适的柴油发电机组，对数据中心的设计具有重要意义。由于柴油发电机组肩负着中心的稳定性和安全性，因此发电机的技术指标、负载的性质等都是选择时需要考虑的方向。

 

一、选型的必备条件

 

      柴油发电机组在我们国内是用主用功率即连续功率来标称的，发电机组能够在24小时还内连续使用的最大功率我们称还为连续功率，而在某一时段内，标准是每12个小时之内有1个小时可在连续功率的基础上超载10%，此时的机组功率就是我们平时所说的最大功率，即备用功率。在数据机房的配电系统中（如图1所示），我们都是按照连续功率来选择发电机组的容量的。

1、环境要求

      安装现场的环境温度、湿度和海拔高度应符合标准，当使用环境的温湿度和海拔高度超过发电机的额定值时，发电机需要降容使用。柴油发电机房实景图如图2所示。

2、供电负荷总容量

      需要所有柴油发电机供电负荷的容量，装机容量，负荷系数，功率因数。电动机负荷还要给出台数、效率、起动电流倍数等参数。

3、起动顺序

① 按照负荷的重要性分出起动的先后顺序；

② 按照负荷大小及起动电流大小，同样重要的电动机容量大、起动电流大的优先。

③ 系统允许的电压降，常用电气设备端子的电压偏差允许值见表1。

表1    常用电气设备端子的电压偏差允许值

 

 4、电压要求

      电动机起动时，其端子电压应能保证被拖动机械要求的起动功率，且在起动时，配电母线上的电压应符含下列要求：

① 电动机不频繁起动时，不宜低于标称电压的85％（数据中心机旁在柴油发电机供电时，电动机属于不频繁起动的情况）；

② 配电母线上未接照明或其他对电压下降敏感的负荷时，不应低于标称电压的80%；

③ 配电母线上只有电动机时，可按照保证电动机起动转矩的条件决定；

④ 对于低压电动机，还应保证接触器线圈电压不低于释放电压（从产品样本中可以查到，查不到样本时，可按照70%考虑）。

 

图1  数据中心配电系统组成.

图2  柴油发电机房环境实景

 

二、负荷计算方法

 

1、应急负荷的容量计算公式

 

 

式中：S_YJ一按所供全部应急负荷计算的发电机容量，kVA;

P_SZ一事故照明负荷，kW；

η_SZ一事故照明负荷的效率；

tgφ_SZ一事故照明负荷功率因数角的正切值；

P_M一电动机的额定容量，kW;

η_M一电动机的额定效率，通常可以取0.8~0.9，或由产品样本文差得；

tgφ_M一电动机功率因数角的正切值；

K一需要系数，在数据中心机房应急情况下取1。

2、用电设备的负荷计算

（1）单组用电设备负荷计算

P30=KdPe Q30=P30tanφS30=P30/cosφI30=S30/（1.732UN）

（2）多组用电设备负荷计算

P30=K∑p∑P30,iQ30=K∑q∑Q30,iS30=（P²30+Q²30）&frac12；I30=S30/（1.732UN）

注意：

• 对车间干线

      取K∑p=0.85～0.95 K∑q=0.85～0.97

• 对低压母线

① 由用电设备组计算负荷直接相加来计算时取K∑p=0.80～0.90K∑q=0.85～0.95。

② 由车间干线计算负荷直接相加来计算时取K∑p=0.90～0.95 K∑q=0.93～0.97。

3、对断续周期工作制的用电设备组

① 电焊机要求统一换算到ε=100%，Pe=PN（εN）&frac12；=Sncosφ（εN）½。式中，PN.SN为电焊机的铭牌容量；εN为与铭牌容量对应的负荷持续率；cosφ为铭牌规定的功率因数。

② 电动机要求统一换算到ε=25%，Pe=2PN(εN)&frac12。

 

三、柴油发电机组选型方法

 

1、性能等级

      在数据中心，不同的用电设备对供电系统的要求各不相同。有些对供电系统的要求较低，而有些则有特殊的要求。根据不同的要求划分了四个不同的等级，具体如表2所示。从表2可知，数据中心用电设备（负载）大部分都是IT负载，其电源主要由UPS提供。为了满足这类负载的用电要求，要特别注意选择合适的柴油发电机组，要选择至G3级别。除了满足这些条件外，还要保证数据中心满足相应的技术要求。

表2    柴油发电机房性能等级

2、功率定义

      功率标定表资料对各种标定方法做了详细的介绍。通过查阅功率标定表资料可以得出结论：机组最基础的功率是持续功率，其他的功率则是强化功率。同时，还可以通过采用限制负载的使用时间和平均负载的方式来提高机组的功率。

3、发动机水箱风扇驱动方式

      图3为柴油发电机组水箱风扇直接驱动与电动驱动功率示意图。从图3不难发现，在日常使用的过程中要尤其注意风扇的驱动方式选择，要以发电机的功率作为最主要的参考标准，否则就可能会使发电机的实际输出功率产生异常。

4、0.4 kV与10 kV柴发机组的选择

      数据中心可供选择的柴油发电机组有两种，一种是低压机组，另一种是中压机组。低压机组的额定电压为0.4 kV，中压机组的额定电压为10 kV。这两种功率的机组各有优点和缺点，设计人员在进行选择时要按照实际需求来进行选择。具体地，低压机组的电流较大，造价相对较低，而且不需要单独再进行接地装置的设计，这种机组比较适合于单机系统或者小容量的并联系统。而中压机组的电流较小，造价相对于低压机组较贵，还需要设计接地系统。但是它能够满足大容量并机系统的需求。设计人员在进行设计和选择时，要根据预期的容量大小和财务状况进行合理的选择，既能够满足所需，又不会造成浪费。

5、突加负载能力

      图4展示的是在正常的使用过程中，当对发电机增加一倍的负载时电压、频率随时间的变化曲线。从图4可以看出，要尽量将各项偏差的偏差值控制在最小的范围内，同时恢复时间也应该尽可能的缩短。

 

图3  柴油机水箱风扇直接与电动驱动不同功率

图4  对发电机加100% 阶跃负载时电压和频率与时间对比的变化曲线

 

6、与后端负载的配合

      数据中心大致上可以将负载分为两种类型，分别是容性负载和感性负载。容性负载主要是IT负载，感性负载的主要代表则是空调等类型电器。这两类负载的电压和电流情况有所不同。前者电流超前于电压，后者电压超前于电流。在充放电的过程中，电压的大小是不同突变的。

      发电机功率因数曲线如图5所示。从图5可以看出，由于UPS谐波电流的存在，导致发电机的损耗明显增加，这使得发电机的稳定性下降，而不稳定性会反馈于UPS，从而造成UPS旁路输入的频率超过允许范围，造成不同步报警，整流器的输入电压稳定性下降。

7、柴油发电机组并机启动方式

（1）柴油发电机组并机的两种常见启动方式

① 原厂并机启动方式

      一般并机主控制屏和柴油发电机组控制屏能调节成自动模式，如图6所示。这两个控制屏都是自动控制模式的状态下，如果二者之间有出现了电源故障，那么接受到信号后在10 s之内发电机组将会自行启动。在所有的机组中，基于建立频率和电压的时间次序，逐次进入母线中，并按照并联运行的方式运行。在主控制屏上面设置报警系统，如果柴油发电机出现故障那么报警系统会进行报警，并自动停机、卸载负荷。检修工作完成后，电源系统的供电正常了，此时再关闭发电机进行复位，在下一次电源出现故障时将再次自行启动。当电源恢复正常之后，系统需要一定的时间来将所有的负荷切换至正常的电源。

② 第三方并机启动方式

      第三方并机启动方式与原厂并机启动方式存在很大的差异。在实际操作中，如若两个控制屏都在自动模式状态下，且两条线路的电源都出现了问题，启动信号发出10 s内，发电机就会自动启动，第一台建立稳定的频率和电压，通过应急母线和断路器进行连接，在第一台完成连接之后，第二台再自动进行与主母线的并联。直到所有的都与母线进行连接，共同承担系统的负载。此外，机组内全部发电机的投切顺序可以由工作人员自行编程来确定。

（2）两种启动方式的选择

       这两种启动方式各有优缺点，分别适用于不同的情况，在进行设计时可以按照实际需求进行选择。如果有10台10 kV的机组进行并机，那么原厂并机系统需要20 s左右来实现将所有的机子都投入负载，而另外一种方式所需要的时间则明显更长，大致需要1 min

      甚至在某些情况下需要消耗100 s的时间。所以，如果并机的机组较大，那么为了提高系统的稳定性，应该优先选择原厂并机系统。但是原厂并机系统的造价较高。根据计算，如果同组并机柴油发电机组超过3台，原厂并机系统造价会超过第三方系统。因此在资金有限，对机组的稳定性要求较低时可以考虑采用第三方并机启动方式。

8、环境要求

（1）选址

      发电机房的位置的选择也是需要考虑的一个方向。从统计数据来看，目前绝大多数的发电机电房都选择在建筑物的地下室。采取这种方式，可以有效的增加地上建筑物的使用面积，但是对于机组的设置应该有更多的考虑。一般的民用建筑如住宅楼等为了保证建筑的安全，一般会将柴油发电机设置为电梯、消防电源等一级负荷的后备电源。这样的后备电源不需要太多的机组，一般设置一台到两台就足够使用。然而对于数据中心来说，机组较多，其选址就应该慎重考虑。一般中小型数据中心可以选择建筑物首层，大型数据中心可以建设独立的动力中心，将发电机集中放置。

（2）排放物及噪音

      大型数据中心的机组数量较多，其产生的排放物和产生的噪音也是需要考虑的方向。

 

图5  发电机功率因数曲线

图6  柴油发电机组自动并联系统框图

 

总结：

      数据中心是为了满足现代社会的信息化需求而建设的一整套包括计算机系统、信息处理设备、数据通信设备及其他与之配套设备的设施。数据中心处理的数据越敏感，能在任何时间及时读取数据的有效性就越重要，就越需要可靠的电力设施为设备提供持续电力 ，并应对突然停电的紧急情况。因此，发电行业也必须适应这种新的工作方式，并服务于这种不同于银行、贸易、休闲娱乐或政府机构的新产业，协助其数据存储需求。数据中心的重要性日渐凸显，对数据进行统计和分析也变得越来越重要，所以数据中心的规模越来越大，复杂程度越来越高。在进行柴油发电机组设计时有很多需要考虑的地方，对于每一个因素都应该慎重考虑，设计出稳定性和安全性较高的数据中心柴油发电机组设备。

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